水下爆炸载荷及其作用下的结构响应数值研究
某型舰船水下爆炸冲击波载荷作用下结构动态响应数值仿真研究
关 键 词 ： 水 下 爆 炸 ； 击 波 ； 船 ； 态 响 应 ； 值 仿 真 冲 舰 动 数
中图分 类号 ： ０ ８ ． ；Ｕ ６ ． ３ ３ ３ ６ １４
文献 标识 码 ： Ａ
Ｄｙ ａ ｃｒｓ ｏ ｓ ｎ ｌｓｓｏ ｒｈｐｓ ｂｅｔｄｔ ｎ ｅｗａｅ ｘ ｌｓｏ ｈ ｃ ｖ ｓ ｎ ｍｉ ｅｐ ｎ ｅａ ａｙｉ ｆａｗａ ｓｉ ｕ ｊｃｅ ｏｕ ｄ ｒ ｔｒｅ ｐｏｉｎ ｓ ｏ ｋｗａ ｅ
动态 响应 过程 ， 于大 变形 、 非线 性 问题 。 同时 还 属 强
费 昂贵 ， 能从 根本 上解 决这 一 问题 。所 以关 于舰船 不 整船 结构 在水 下爆 炸载 荷作 用下 的 响应研 究很 少 。 近几 年随 着数值 计算 技 术 的发展 ， 使得 舰船 在 水 下爆 炸载 荷作 用 下 的数 值 仿 真 研 究 成 为 可 能 。本 文 针对 某 型水 面舰船 ， 采用 大 型 通用 有 限元 程 序 Ｍ Ｃ Ｓ． ＤＴＡ Ｙ Ｒ Ｎ对 整船 结构 在 水 下 爆 炸 冲击 波 载 荷 作 用 下 的动态 响应进 行 了数值 仿真 研究 。
１ 有 限元 计 算 模 型
对 处 于无 限水域 中某 型 水 面 舰 船 建 立有 限元 计
Ｋｅ ｒ ｓ ｕ ｄ ｒ ａ ｒ ｘ ｌ ｉ （ Ｎ Ｅ ； ｈ ｃ ａｅ ； ａ ｈｐ ｄ ｎ ｍ ｃｒｓｏ ｓ ； ｕ ｒ ａ ｙｗｏｄ ： ｎ ｅｗ ｔ ｐｏ ｏ Ｕ Ｄ Ｘ） ｓｏｋｗ ｖｓ ｗ ｒ ｉ； ｙ ａ ｉ ｅｐ ｎｅ ｎ ｍｅ ｃｌ ｅｅ ｓｎ ｓ ｉ
Ｓｍｕ ａ ｉｎ ｉ ｌｔ Ｏ
ｗ ｔｒｅ ｐｏ ｉｎ （ ａｅ ｘ ｌｓ ｏ ＵＮＤ Ｘ）ｓ ｏ ｋ ｗａ ｅ ｓａ ｍｐ ￣ ｎ ｅｅ ｒｈ ａｐ ｃ ｎ ｔｅ ｆ ｌ ｆｓ ｉ ｔｕ ｔｒ ｌｄ － Ｅ ｈ ｃ ｖ ｓｉ ｎ ｉ ｏ ａ ｔｒｓ ａｃ ｓ ｅ ｔｉ ｈ ｅｄ ｏ ｈｐ ｓ ｃｕ ａ ｙ ｉ ｒ
水下爆炸作用下加筋板结构响应的数值仿真研究
主【 。近段 时 间 由于计算机技术 和计算 理论 的 ２ ｌ 快速发展 ， 得利用数值仿真的方法对水下爆炸 使 明了文中介绍的评估方法的可操作性和可行性。
参 考文献
段数量最少， 分段平均重量最接近基本 吊运能力
ｔｒ ｈ ｆｅ ｔ ｆｔ ｅｒ ｓａ ｄ ｔｅＩ￣ｔｏ ｅｅｔ ｅｍａ ｉ ｌｐａ ｔ ｔａｎ ａ ｐ ａ ｅ ｅｎ，ｔ ｅｅｆｃ ｈ ｉ ｎ ｈ ｉ ｎｗｈ ｒ ｈ ｘｍａ ｌ ｉ ｓｒｉ ｐ ｅｒｄ． ｏ ｂ ｘ ｉ ｓ ｃ
Ｋｅ ｒ ｓ ｕ ｄ ｒ ｔｒｅ ｐｏｉｎ ｓｉ ｅ ｅ ｌｔ ｎ ｍｅｉａ ｉ ｌｔ ｎ Ｍ Ｓ ｙｗｏｄ ｎ ｅｗａｅ ｘ ｌｓｏ ｔ ｆｎ ｄｐａｅ ｕ ｒｃ ｌ ｍｕａｉ ｆ ｓ ｏ Ｃ． ｒｎ ａ
的。从缩短船台周期和减少船台高难度作业量的
角度出发， 台合拢 的分 段应越少越 好 。方案 ３ 船 是最能缩短船 台周期 、 减少船 台高难 度作业量 的
最优方案。
［］ １ 唐慧宗 ， 姜福茂 ． 应 于壳舾涂 一 体化 的分段 划分 方 适 案 ［］造船技 术 ，９７３ ： ４ Ｊ． １９ （ ）１ １ ． ０
Ａｂ ｔａ ｔ Ｔｈ ｙ ａ ｉ ｒｓ ｏ ｓ ｆｔ ｅｓｉｅ ｅ ｌｔ ｆ ｈｐｓｒｃｕｅ ｕ ｄ ｒｕ ｄ ｒ ￣ｒｅ ｐｏ ｉｎ ｗａ ｉ ｕ ｓｒ ｃ ｅｄ ｎ ｍ ｃ ｅｐ ｎ ｅｏ ｈ ｔ ｆｎ ｄ ｐａｅｏ ｉ ｔｕ ｔｒ ｎ ｅ ｎ ｅｗａ ｘ ｌ ｏ ｓｓ － ｆ ｓ ｓ ｍ
维普资讯
船海工 程
文章编 号 １７ —９ ３ ２ ０ ）６０ １—５ ６ １７ ５ （０ ６ ０ —０ ２０
水下爆炸气泡射流作用下固支方板动态响应的数值仿真研究
“ ｕ 。ｄ—ｆｉ （ ＋ ａ Ａｄ ２ ） ｐＡ ） ｎ
芸 ｅ＋ （ ，Ｌ ｄ（ ｄ ｅ’ｄ一 “ｉ ３ ｚ４ ｐＡ ） ） ｎ
式中： 体积 ； ４ —该 体积 区域 的边 界 ； —
咒 —边 界上 的法 向量 ； —
收稿 日期 ： １ １ ０ ２ ０— ２— ９ ０
修 回 日期 ：０ １ ０ ２ １ — ４—１ ４
拉 单元 最 多可 以有 五种 材料 。
１ ２ 材 料状 态方 程 ．
在水 下爆 炸 问题 的仿真 研究 中涉及 空气 、 、 水 炸药及 金 属 。各 种 材 料 本构 关 系 选 取是 否 恰 当 ， 直接关 系 到计算 结果 的精度 。 仿 真计 算 中认为 空气是 理想 气体 ， 并且 满足
结构的整体毁伤， 当气泡脉动周期与舰船低阶振 动频 率接 近 时 可 能 引起 舰 船 结 构 的 “ 状 响应 ” 鞭 （ ｉｐｎ ） ， Ｗｈｐｉｇ Ｊ当气 泡 尺寸 较 大 时可 能造 成 舰 船 浮力 损失 ， 进而 造 成 整 体破 坏 ｌ 。药 包 在 结 构 近 ２ Ｊ
场爆 炸时 ， 气泡 受 到结 构 等 边界 影 响容 易 形 成射 流 ， 流载 荷也 可 能 对 结 构产 生 毁 伤 作用 。对 于 射 水下爆 炸气 泡运 动及 其塌 陷形成 射流 的过程 已有 很多 研究 ４ ， 。在射 流 形 成 的条 件 、 流 的影 响 因 射
１ ７ ０
第一作者简介 ： 孟
涛（ ９ ９一） 男 ， １６ ， 博士生。
研究方向 ： 水下爆炸及毁伤效应。
Ｅ－ ａ ｌ ｑ ｎ ｖ ｍｔ １ ３ ｃ ｒ ｍ ｉ：ｄ ａｙ ＠ ６ ． ｏ ｎ
水下爆炸冲击作用下壳体结构响应的数值模拟
水下爆炸冲击作用下壳体结构响应的数值模拟本文以壳体结构作为研究对象,使用ANSYS/LS-DYNA软件分别对一般环肋圆柱壳结构和潜艇结构在水下爆炸冲击作用下的响应进行了数值模拟研究。
首先,模拟了水下爆炸压力的传播过程,计算并分析了水下爆炸对圆柱壳结构的动态影响。
研究中发现,ANSYS/LS-DYNA模拟中远场爆炸时,流体单元数目巨大,导致计算时间过长,单元数量超出计算机的计算规模时,计算无法进行；并且爆炸冲击波压力存在衰减过快的问题,因此计算的精确度降低。
其次,为了得出对提高壳体抗冲击性较为有利的结构形式,分别对加筋、改变筋的几何尺寸、增加壳体厚度对于提高圆柱壳抗冲击性的作用进行了对比研究,研究结果表明,加适当筋距的筋,以及在加筋的基础上增加壳体厚度对壳体抗冲击性提高效果显著。
另外,改变筋的尺寸能使壳体达到更好的抗冲击效果。
然后分别对单壳体和双壳体结构及其周围水域进行有限元建模,对两种壳体在水下爆炸冲击作用下的响应进行了数值模拟,并将二者的模拟结果进行对比,目的是为了研究双壳体结构中外壳及壳间液舱对于冲击波传播及内壳冲击响应的影响。
研究结果表明,外壳及壳间液舱对冲击波传播及内壳响应影响较小。
最后根据某潜艇基本数据建立了潜艇结构的有限元模型,并对此模型做了水下爆炸冲击的数值模拟。
分析了不同工况下壳体的应力应变响应、速度及加速度响应以及内外结构能量吸收情况,统计了迎爆面应力沿艇长方向的分布情况,并将不同工况下的响应进行了对比,据此指出该壳体结构中抗冲击性比较差的结构形式,并对此提出改进措施。
本文研究结果可以为提高潜艇的抗水下爆炸冲击性能研究提供参考。
沉底水下爆炸作用下舰船结构动响应数值模拟
沉底水下爆炸作用下舰船结构动响应数值模拟摘要：该文利用ABAQUS软件，对某实船模型在沉底水下爆炸载荷作用下的动响应进行了数值模拟。
结果显示将沉底水下爆炸载荷等效成无限流场载荷的1.7倍是可行的，而纵向应变峰值跟结构的材料属性和结构方式有很大关系，材料厚度越大，加筋结构相对密集，则纵向应变峰值越小。
关键词：水下爆炸仿真计算ABAQUS水下爆炸问题涉及多个领域，整个过程十分复杂，使得大部分实际问题很难得到解析解。
而随着计算机硬件和计算方法的不断发展进步，水下爆炸数值研究得到了各国军方和学术界的高度重视，可对关键问题进行重复细致的研究，已成为研究水下爆炸现象及机理的一项重要手段。
程素秋[1]等通过试验和数值仿真方法对沉底爆炸载荷作用下圆柱结构响应进行了研究，将仿真结果与试验结果进行了比对，吻合度比较好。
杜志鹏[2]等为预测沉底装药爆炸产生气泡的最大半径和脉动周期，在理论研究的基础上，通过AUTODYN软件数值模拟了水下刚性壁上装药爆炸产生气泡的运动规律，并将数值结果与理论结果进行了比对，吻合度较好。
B.V.Zamyshlyayev[3]对沉底水下爆炸规律进行了研究，提出应将沉底爆炸简化为无限水域水下爆炸，将沉底载荷等效为无限水域载荷的107倍。
姚熊亮[4]等利用SPH方法对沉底水雷爆炸威力进行了数值仿真，对峰值压力反射系数和爆炸流场参量进行了细致的研究，认为海底反射系数水平线夹角有关，最大可达1.5.郑思顼[5]利用ABAQUS软件对水下爆炸载荷作用下结构的响应进行了研究，验证了ABAQUS软件模拟结构受水下爆炸载荷作用弹塑性响应的有效性和准确性。
该文利用ABAQUS软件，数值模拟了某型船在沉底水下爆炸载荷作用下的动响应，对沉底水下爆炸规律进行了探索。
1 计算模型简介该文以某型舰船实船为研究对象，对其进行了整船建模。
船长59m，型宽8.5m。
结构网格大小0.25m，水域内部网格0.15m，均匀向外辐射，总网格数2577245个。
舰船水下接触爆炸数值研究
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Ｐ ８ ｘ
ｄ ｅ
ｄ ｔ
叩 ａ
Ｐ Ｏ ｔ’ ｘ ３
Ｐ ＝ｐ ｎ ８ ， （ ，）
式 中 Ｐ ， 祁，， 分别 代表密度 、 ， ｏ ｅｔ ｒ 速度 、 总应 力张 量 、 内能和 时问 ． 方程 组 （ ） １ 中前 三个方 程 描述 的是 质 量守
收 稿 日期 ： ０ ９—１ ０ ；修 回 日期 ： ０ ０— ５—１ ２０ １— ９ ２１ ０ ０
基 金项 目 ：国家 自然 科 学 基 金重 点 项 目（ ０ ３０ ２ ， 年 科 学基 金 （０ ０ ０ ８ 及 国家 自然 科 学 基 金 （０ ７ ０ ８ 资助 项 目 ５ ９ ９０ ） 青 ５８ ９ １ ） １９ ６ ０ ） 作 者简 介 ：姚熊 亮 （９ ３一） 男 ，四 川 ， 授 ， 士 ， 事船 舶 与海 洋 工 程 结 构 动力 学 、 下 冲 击 载荷 作 用 下 结 构 响应 研 究 １６ ， 教 博 从 水
中 图分 类 号 ： ３ １ ２ Ｕ ６ ． １ ０ ５ ． ； ６ １ ７
文献标识码 ： Ａ
０ 引 言
随着精确 制导武 器 的广 泛应用 ， 舰艇 等水 中结构 受水下 接触爆 炸 的概率不 断增 大． 舰艇 水下接 触爆炸 涉
及 炸药爆 轰 、 高压气 体膨胀 以及波 在高压 气体 、 、 等异 种介 质 的传播 ， 水 钢 物理 问题 异 常复 杂 ， 很难 用解 析 方 法 求解 ． 外 ， 此 由于水下 接触爆 炸属 于高压 物理 的范畴 ， 钢结构 可 近似成 “ 流体 ” ， 会 产生 大变 形 、 均 匀 且 非
研究 旨在揭示 舰船 接触爆 炸机理 ， 从而 为舰 船 的结构 防护 提供依 据．
１ 数 值 模 型
水下爆炸载荷作用下舰船结构极限强度研究
水下爆炸载荷作用下舰船结构极限强度研究水下爆炸载荷作用下舰船结构极限强度研究随着军事技术的不断发展，水下爆炸作为一种先进的战术手段被广泛应用。
在水下爆炸的作用下，舰船结构的极限强度成为关键问题。
因此，对水下爆炸载荷作用下舰船结构极限强度的研究具有重要的意义。
在水下爆炸载荷作用下，舰船结构会受到极大的冲击力和压力波的作用。
这些作用会引起船体的变形、破裂和崩塌，从而对舰船的安全性产生威胁。
因此，为了能够预防和防范水下爆炸事故的发生，需要对船体结构的极限强度进行研究。
舰船结构的极限强度研究是基于材料力学和结构力学的理论研究。
在进行船体结构的强度计算时，需要考虑到材料的力学特性、船体结构的几何形状和水下爆炸载荷的作用特点等因素。
其中，水下爆炸载荷对船体结构的破坏主要有三种形式：冲击性破坏、冲击痕迹破坏和压力波破坏。
在进行船体结构的强度计算时，需要采用合适的数值模型和计算方法。
目前，常用的数值计算方法包括有限元法、边界元法、网络法等。
在确定数值模型和计算方法后，需要进行参数的选择和设置。
其中，重要的参数包括材料的弹性模量、泊松比、密度和破裂韧性等。
这些参数的选择与设置直接影响到强度计算的结果和准确性。
在进行强度计算时，需要对船体结构进行不同的负载情况下的分析。
常见的负载情况包括静荷载、动荷载和地震荷载等。
这些负载情况下，船体结构的受力情况和变形情况都有所不同。
经过对舰船结构极限强度的研究，可以得出舰船在水下爆炸载荷作用下的破坏模式和强度情况。
这些研究成果可以为船体结构的设计、修理、修改等提供重要的参考依据。
总之，水下爆炸载荷作用下舰船结构极限强度研究是一项复杂而重要的工作。
通过采用合适的数值模型和计算方法，选择适当的参数和进行不同负载情况的强度分析，可以为舰船的安全性提供保障。
根据现有文献和实验数据，以下是一些与水下爆炸载荷作用下舰船结构极限强度相关的数据:1. 爆炸药量的影响爆炸药量的大小对船体结构损伤的程度有很大的影响。
水下爆炸载荷下舰船响应与毁伤研究综述
第25卷第5期水下无人系统学报 Vol. 25No. 5 2017年12月 JOURNAL OF UNMANNED UNDERSEA SYSTEMS Dec. 2017收稿日期: 2017-09-30; 修回日期: 2017-11-10.基金项目: 国家自然科学基金项目(51479204、51409253、51679246).作者简介: 金 键(1990-), 男, 在读博士, 主要研究方向为舰船抗爆抗冲击.[引用格式] 金键, 朱锡, 侯海量, 等. 水下爆炸载荷下舰船响应与毁伤研究综述[J]. 水下无人系统学报, 2017, 25(5): 396-409.【编者按】现代舰船的生命力和战斗力受到鱼、水雷等水中兵器的严重威胁, 开展水下爆炸载荷下舰船响应与毁伤研究具有十分重要的现实意义。
水下爆炸载荷下舰船的响应与毁伤过程是复杂的非线性动态过程, 属大变形、强非线性问题, 涉及流体力学、气泡动力学、爆炸力学、塑性力学、塑性动力学、结构力学、断裂力学、结构振动学、水弹性力学及计算机应用等众多学科及相互之间的交叉。
目前对水下爆炸的基本过程、物理现象和载荷特性的研究较为成熟, 对复杂边界条件下的水下爆炸过程和载荷特性的研究也有了长足的进展, 而水下爆炸载荷下舰船动响应过程、毁伤机理问题还有待进一步研究。
在受到水中兵器的攻击情况下, 如何根据舰船动响应过程与毁伤机理合理选取材料、设置优化结构是舰船防护中亟待解决的问题。
在国内, 朱锡教授带领的舰船抗爆抗冲击技术研究团队在舰船防护装甲材料、舰船防护结构设计方法、舰船结构防护/承载/隐身多功能一体化等方向有深入研究, 取得了一批原创性成果。
目前团队承担着武器装备预研项目、国防973项目、国家自然科学基金重点项目等多项国家级项目的研究与研制任务。
本刊特邀其团队成员金键博士系统梳理了水下爆炸下舰船响应与毁伤问题, 以综述形式呈现, 旨在让读者对水下爆炸的过程、分类和载荷特征、舰船动响应过程和毁伤机理以及研究方法和研究趋势有清晰的了解与认识。
非接触水下爆炸舰船结构响应分析
构 的速度 响应 时 间历 程 曲线 。选 取 的测试 点包 括 ： 舰
图 ２ 舰 船 与 水 域 的 耦 合
Ｆｉ ． Ｔｈ ｏ ｌｎ ｆｓ ｉ ｎ ｔ ｒ ｇ２ ｅ ｃ ｕｐｉ ｇ ｏ ｈ ｐ ａ ｄ ｗａｅ
船上 甲板 中部 ， 船 主 甲板 前 部 ， 船 船 体 的侧 舷 位 舰 舰 置 以及舰 船壳 体 中间底部 。
２ ）舰 船 结 构 横 向 速 度 响 应 峰 值 越 靠 近 舰 船 上
方 ， 值 越 大 。舰 船 壳 体 横 向 速 度 响 应 峰 值 ０ ３ 数 ．
式 中 ： （）为流 体 的体 积加 速 度 ； 水密 度 ｐ ＝１０ ５ ， ２ ｋ／ ； ｇ ｍ。 装药 质量 ｍ ＝ １０ ０ ｋ ； 装 药 半 径 ； ０ ｇ ａ 为
船周 围水 域 的有 限 元 模 型 。并 利 用 该 模 型 计 算 了 １ ０ ｇＴ Ｔ 当量 水 下 装 药 爆 破 ， 舰 船 水 平 距 离 ０ ｋ Ｎ ０ 距 ６ 水 深 ６ ０ｍ， ０ ｍ处 爆 炸 引起 的舰 船 冲击 环境 。得 到
板 、 甲板 以及 双 层 船 底 等 结构 。同 时 ， 二 应用 声 学 单
从仿 真结 果 得到 的速 度 响应 时 间历程 曲线 可见 ， 舰船 船体 侧 舷 位 置 的 垂 向速 度 响 应 峰 值 最 大 ， 到 达 ４ ３ｍ／ ， ． ｓ 其次 是 船底 ， 向速 度 峰值 达到 ２ ４ｍ ｓ舰 垂 ． ／ ；
２ 初 始 冲 击 波 计 算
Ａ ａ ｕ 软件 应 用经 验 公 式 计 算水 下 装 药 爆 炸 产 ｂｑｓ 生 的 冲击波 压力 ， 以球 面波 或平 面 波 的载荷 施 加在 结
１ ５ ｍ／ ． ｓ；
水下爆炸冲击波和气泡联合作用下结构响应数值分析
水下爆炸冲击波和气泡联合作用下结构响应数值分析徐永刚;宗智;李海涛【摘要】Underwater explosion may result in serious damages to the floating structure. The purpose of this paper is mainly to study effects of response characteristics of structures subjected to underwater explosion and provides a reference for anti -shock design of warship. The accuracy and efficiency of ABAQUS software in simulating the elastic-plastic response of structure subjected to underwater explosion were verified. The dynamic responses in terms of strain and stress of the structure under underwater explosion loading in different cases were calculated and analyzed using ABAQUS software. The calculated results show that the pressure of bubble pulse is the major factor of ship whipping and overall damage.%结构在水下爆炸作用下会产生严重的破坏，研究水下爆炸作用下结构的响应特征和规律，并为舰船抗冲击设计提供参考。
首先验证了ABAQUS软件模拟结构受水下爆炸载荷作用弹塑性响应的有效性和准确性。
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水下爆炸载荷及其作用下的结构响应数值研究水下爆炸研究自19世纪末以来已经有一百多年的历史了,但是我国在近十几年才开始逐渐重视舰船和舰载设备的抗冲击性能。
由于水下爆炸的物理过程瞬变复杂,不同样式结构在不同爆距,不同药量,不同时间尺度载荷下的损伤模式又多样化,并涉及到多个领域的科学前沿问题,所以水下爆炸问题研究还有许多机理上不清楚的地方。
水下爆炸载荷一般包括冲击波、气泡和空化效应。
这些载荷不止在时间尺度上不一样,压力峰值也往往不在一个量级。
所以要想同时考虑这些载荷对结构的影响,并分析出不同载荷下结构响应的差异比较困难。
数值研究已经成为探索水下爆炸现象机理的重要手段,国内外学者也基于各种商业软件对水下爆炸问题进行研究,但主要集中在冲击波载荷作用下结构物的动态响应研究,这是因为不管是Ls-Dyna的ALE法还是Autodyn的CEL 法对于冲击波载荷计算还算准确,但是要计算气泡脉动载荷对结构物的影响非常困难,一般只停留在二维气泡脉动模拟,不涉及到结构,而且气泡脉动对网格要求很高,计算效率很低,所以相比于其他商业软件,通过Abaqus内置Geers-Hunter 模型和声-结构耦合法可以解决上述商业软件的不足,较精确地模拟不同时间尺度载荷下结构的动态响应。
本文首先阐述了Abaqus模拟水下爆炸的理论基础,在此基础上分别通过显式求解器和隐式求解器计算了水下爆炸冲击波和气泡载荷；其次针对理论分析可能出现的空化现象,用数值模拟的方式对其进行了验证,计算结果和实验值较一致,说明了片空化效应不可忽视；然后通过声-结构耦合法对几种背空板进行数值模拟,讨论了水域建模的注意事项,Geers-Hunter模型的适适范围,验证了结构周围的局部空化现象以及气泡载荷对结构的影响,气泡载荷有可能引起结构更大的变形；接着通过分析比较近几年逐渐热门的多孔金属夹层板的抗冲击性能,指出金属泡沫夹层板的抗冲击优势；最后计算了一艘船模在水下爆炸载荷作用下的动态响应,分析了不同载荷对结构的影响,为整船的抗冲击性能分析设计提供一定的参考。